DE4416907C1 - NMR Medical therapy tomograph with homogenising device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kernspinresonanz (NMR)-Tomogra phen mit einer supraleitenden Hauptfeldspule zur Erzeugung eines statischen, homogenen Magnetfeldes im Untersuchungsvo lumen des Kernspintomographen, dessen Zentrum mit einem Ko ordinatenursprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinaten systems zusammenfällt, mit einem Paar untereinander gleicher äußerer Feldspulen, die auf einer gemeinsamen Achse (z) mit einem axialen Abstand (g₁) zueinander angeordnet sind, sowie mit einem Paar innerer, mit den äußeren Feldspulen koaxialer Feldspulen, die ebenfalls untereinander gleich sind, wobei beide Spulenpaare symmetrisch zu einer zentralen, zur ge meinsamen Achse (z) senkrecht verlaufenden Mittelebene (E) angeordnet sind, wobei der axiale Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise 1/2 des Innen durchmessers (da2) der äußeren Feldspulen beträgt, wobei der axiale Abstand (g₂) der inneren Feldspulen geringfügig, d. h. um bis zu 15% unterschiedlich gegenüber dem axialen Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen ist, wobei - im Betrieb der Hauptfeldspule - die Stromrichtung in den inneren Feldspulen zu derjenigen in den äußeren Feldspulen entgegengesetzt gerichtet ist, wobei eine axiale Raumtemperaturbohrung, die sich in Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, und eine transversale Zugangsöffnung, die sich quer zur Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, vorgesehen ist, und mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes. The invention relates to a magnetic resonance (NMR) tomograph with a superconducting main field coil for generating a static, homogeneous magnetic field in the examination volume of the MRI scanner, the center of which coincides with a coordinate origin of a Cartesian x, y, z coordinate system, with a Pair of identical outer field coils, which are arranged on a common axis (z) with an axial distance (g₁) to each other, as well as with a pair of inner, with the outer field coils coaxial field coils, which are also the same with each other, both coil pairs symmetrical to one Central, to the common axis (z) perpendicular center plane (E) are arranged, the axial distance (G₁) of the outer field coils between 1/4 and 3/4, preferably 1/2 of the inner diameter (d a2 ) of the outer Field coils is, the axial distance (g₂) of the inner field coils slightly, ie by up to 15% differen ch is relative to the axial distance (g 1) of the outer field coils, the direction of current in the inner field coils being opposite to that in the outer field coils during operation of the main field coil, an axial room temperature bore extending in the direction of the homogeneous magnetic field, and a transverse access opening, which extends transversely to the direction of the homogeneous magnetic field, is provided, and with a device for compensating for inhomogeneities in the static magnetic field.
Ein solcher NMR-Tomograph ist beispielsweise bekannt aus der DE 39 07 927 A1.Such an NMR tomograph is known for example from the DE 39 07 927 A1.
Der Hauptfeldmagnet des bekannten Tomographen besteht aus einer Doppelhelmholtz-Spulenanordnung mit gegenläufiger Strombeschickung. Ein derartiges NMR-Tomographiemagnetsystem ermöglicht es, mit vergleichsweise geringen axialen und ra dialen Abmessungen sowie verhältnismäßig geringem Gesamtge wicht einen Zugang zum Untersuchungsvolumen aus mehreren verschiedenen Richtungen freizulassen, wobei die Anordnung auch weitgehend unanfällig gegen Wirbelstromeffekte ist, die beim Schalten der in der Tomographie notwendigen Feldgradienten entstehen können. Insbesondere transversale Zugangs öffnungen zum Untersuchungsvolumen sind schon deshalb be sonders wichtig, damit Klaustrophobieprobleme bei den in dem Tomographen zu untersuchenden Patienten gar nicht erst ent stehen bzw. stark abgemildert werden. Außerdem erfordern zahlreiche Therapiemaßnahmen, wie z. B. chirurgische, insbe sondere mikrochirurgische Eingriffe oder Bestrahlungen, die mit dem Tomographiegerät unmittelbar verfolgt und kontrol liert werden sollen, einen möglichst freien axialen und transversalen Zugang zum Patienten.The main field magnet of the known tomograph consists of a double Helmholtz coil arrangement with counter-rotating Electricity charging. Such an NMR tomography magnet system allows with comparatively low axial and ra dialen dimensions and relatively low total important access to the study volume from several release different directions, the arrangement is also largely insensitive to eddy current effects when switching the field gradients necessary in tomography can arise. In particular, transverse access For this reason, openings to the examination volume are already open particularly important so that claustrophobia problems in those in the Tomographs to be examined patients in the first place stand or be moderated. Also require numerous therapeutic measures, such as B. surgical, esp special microsurgery or radiation, the immediately tracked and checked with the tomography device should be axial, as free as possible and transverse access to the patient.
Andererseits sollen die mit einem derartigen Therapietomo graphen herstellbaren NMR-Schnittbilder eine möglichst hohe Auflösung und ein möglichst hohes Signal-zu-Rausch-Verhält nis aufweisen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß das von der Hauptfeldspule erzeugte statische Magnetfeld im Un tersuchungsvolumen eine möglichst hohe Homogenität besitzt. On the other hand, those with such a therapy tom NMR cross-sectional images that can be produced as high as possible Resolution and the highest possible signal-to-noise ratio nis. For this reason, it is necessary that the static magnetic field generated in the Un by the main field coil test volume has the highest possible homogeneity.
Aus der DE 36 16 078 A1 und der US 4,682,111 ist jeweils be kannt, Inhomogenitäten eines NMR-Magneten gleichzeitig mittels Shimspulen und ferromagnetischen Homogenisierungs elementen zu korrigieren. Dabei wird das Magnetfeld eines NMR-Magneten mit gegenüberliegenden Polschuhen homogenisiert. From DE 36 16 078 A1 and US 4,682,111 each be knows, inhomogeneities of an NMR magnet at the same time using shim coils and ferromagnetic homogenization correct elements. The magnetic field becomes one NMR magnets with opposite pole pieces homogenized.
Ein zweckmäßiges mathematisches Hilfsmittel zur Beschreibung der Inhomogenitäten in einem Bereich um das Symmetriezentrum eines Magnetsystems stellt eine Entwicklung des Feldes nach Kugelflächenfunktionen dar. Bei NMR-Tomographen dominiert nur die axiale, d. h. die z-Komponente. Es gilt allgemein:A useful mathematical tool for description of inhomogeneities in an area around the center of symmetry of a magnet system simulates a development of the field Spherical surface functions. Dominated in NMR tomographs only the axial, d. H. the z component. The following generally applies:
Bei idealen rotationssymmetrischen Anordnungen verschwinden auch alle Terme in der Summe, die zu nicht-rotationssymme trischen Feldkomponenten gehören, d. h. alle Terme mit m = 0. In der üblichen Nomenklatur werden derartige Terme als "tes serale" Terme bezeichnet, während Terme, die zu m = 0 gehö ren, als "zonale" Terme bezeichnet werden.With ideal rotationally symmetrical arrangements disappear also all terms in the sum that are not rotationally symmetric trical field components belong, d. H. all terms with m = 0. In the usual nomenclature, such terms are called "tes serale "terms, while terms belonging to m = 0 ren, referred to as "zonal" terms.
Bei einer darüber hinaus spiegelsymmetrischen Anordnung ver schwinden außerdem alle Amplituden An0 mit ungeradem Wert von n. Bei Spulenanordnungen wie der in der eingangs zi tierten DE 39 07 927 A1 beschriebenen verschwinden zudem alle Terme mit n<8. Dann ergibt sich für das homogene Ma gnetfeld in z-Richtung der folgende Ausdruck:In addition, in a mirror-symmetrical arrangement, all amplitudes A n0 vanish with an odd value of n. In the case of coil arrangements such as that described in DE 39 07 927 A1, all terms with n <8 also disappear. Then the homogeneous magnetic field in the z direction has the following expression:
Speziell entlang der z-Achse erhält man bei der Doppelhelm holtz-Anordnung mit gegenläufigen StrömenYou get the double helmet especially along the z-axis holtz arrangement with opposite currents
Bz = A₀₀ + A₈₀ z⁸ + A10,0 z¹⁰ + . . . (3)B z = A₀₀ + A₈₀ z⁸ + A 10.0 z¹⁰ +. . . (3)
A₀₀ ist das gewünschte homogene Feld. Die übrigen Summanden stellen bei dieser Spulenanordnung selbst bei idealer Bau weise unvermeidlich Feldstörungen dar, die bei z- bzw. r-Werten von 20 cm vom Symmetriezentrum relative, d. h. auf A₀₀ bezogene Größen von etwa 10 ppm annehmen. Für kleinere z- bzw. r-Werte sind die Störungen wegen der zn-Abhängig keit (n 8) in der Regel viel kleiner, so daß innerhalb ei nes kugelförmigen Volumens um das Symmetriezentrum mit einem Durchmesser von etwa 40 cm nur noch Feldstörungen unterhalb von 10 ppm auftreten und damit hochwertige NMR-Abbildungs verfahren möglich werden.A₀₀ is the desired homogeneous field. The remaining summands in this coil arrangement, even in the case of ideal construction, inevitably represent field disturbances which, at z or r values of 20 cm from the center of symmetry, assume relative, ie related to A₀₀ sizes of about 10 ppm. For smaller z or r values, the disturbances are generally much smaller because of the z n dependence (n 8), so that within a spherical volume around the center of symmetry with a diameter of about 40 cm, only field disturbances below of 10 ppm occur and thus high-quality NMR imaging processes are possible.
Durch mechanische Toleranzen bei der Herstellung der Spulen körper sowie durch die prinzipielle helixförmige statt ide al-rotationssymmetrische Form der Windungen der Hauptfeld spule erhält man Abweichungen von diesem idealen Verhalten, die sich in nicht-verschwindenden Störamplituden Anm, Bnm mit n < 8 und m 0 widerspiegeln. In der Praxis muß man diese Störamplituden experimentell durch Messungen ermitteln und mit Hilfe von supraleitenden oder resistiven Zusatzspu len oder strategisch günstig plazierten, z. B. in der Bohrung der Magnetspule angebrachten Eisenstücken kompensieren.Mechanical tolerances in the manufacture of the coil body and the basic helical instead of ideal rotationally symmetrical shape of the turns of the main field coil result in deviations from this ideal behavior, which result in non-vanishing interference amplitudes A nm , B nm with n <8 and reflect m 0. In practice, one has to determine these interference amplitudes experimentally by measurements and with the help of superconducting or resistive additional coils or strategically placed, z. B. compensate for iron pieces attached in the bore of the solenoid.
Eine derartige Kompensation ist unter dem Fachbegriff "Shi men" bekannt. In der DE 35 11 303 A1 beispielsweise sind su praleitende Shim-Spulen beschrieben. Die Verwendung von fer romagnetischen Shim-Platten ist z. B. aus der DE 17 64 564 A1 bekannt. Such compensation is under the technical term "Shi men ". In DE 35 11 303 A1, for example, see below described guiding shim coils. The use of fer romagnetic shim plates is e.g. B. from DE 17 64 564 A1 known.
Bei einem Therapietomographen mit seitlich und axial offenem Spulensystem, das sowohl einen transversalen als auch einen axialen Zugriff auf das Untersuchungsvolumen erlaubt, ergibt sich gegenüber einem herkömmlichen Tomographen die Schwie rigkeit, daß in dem gesamten Bereich der seitlichen Zugangs öffnung weder eine Bohrung zum Befestigen von Eisenstücken noch ein anderer Tragekörper zum Befestigen von supraleiten den oder resistiven Korrekturspulen zur Verfügung steht. Da mit gibt es erhebliche Einschränkungen für die Plazierung von Shim-Elementen. Bestimmte Typen von Feldstörungen können deshalb nicht mehr ohne weiteres kompensiert werden. Der bei klassischen Systemen bevorzugte Anbringungsort für derartige Shim-Elemente im Mittelbereich in Nähe des Homogenitätsvolu mens befindet sich bei den oben beschriebenen Therapie-Sy stemen im Bereich des transversalen Zugangs und darf deshalb nicht verbaut werden.With a therapy tomograph with laterally and axially open Coil system that is both a transverse and a allows axial access to the examination volume, results the Schwie compared to a conventional tomograph rigidity that in the entire area of lateral access opening neither a hole for attaching pieces of iron yet another support body for attaching superconductors the or resistive correction coils is available. There with there are significant restrictions on placement of shim elements. Certain types of field disturbances can therefore can no longer be easily compensated for. The at classic systems preferred location for such Shim elements in the middle area close to the homogeneity mens is in the therapy sy described above systems in the area of transversal access and is therefore allowed not be installed.
Darüber hinaus muß bei allen supraleitenden Korrektur-Spulen darauf geachtet werden, daß sie nicht induktiv mit der su praleitenden Hauptfeldspule koppeln. Ansonsten würde bei spielsweise eine zeitliche Drift des von der Hauptfeldspule erzeugten homogenen Magnetfelds zu einem Umladen der Korrek turspulen führen.In addition, all superconducting correction coils care is taken that they are not inductive with the su couple the main conducting field coil. Otherwise, would for example, a temporal drift of the main field coil generated homogeneous magnetic field to reload the correction lead coils.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen NMR- Tomographen der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem eine Homogenisierung des Hauptmagnetfelds ohne eine Behinde rung des axialen oder des transversalen Zugangs zum Untersu chungsvolumen ermöglicht wird. The object of the present invention is therefore to use an NMR To present tomographs of the type mentioned at the beginning, in which a homogenization of the main magnetic field without a handicap Axial or transverse access to the examination volume is enabled.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des stati schen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:According to the invention this object is achieved in that the Device for compensation of inhomogeneities of the stati magnetic field comprises the following elements:
- - ferromagnetische Homogenisierungselemente, vorzugswei se Plättchen, die an solchen vorgegebenen Positionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beider seits der transversalen Zugangsöffnung angebracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesseralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugs weise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,- Ferromagnetic homogenization elements, vorzugwei se platelets, which are attached at such predetermined positions on the surface of the room temperature bore on both sides of the transverse access opening, that at least one component of the tesseral field disturbances of the types A nm with n = 1 to 3, preferably as n = 1 to 6, and m = 1 to n is compensated,
- - mindestens vier supraleitende, separat mit Strom be schickbare Korrekturspulen (C₁ bis C₄) koaxial zur Hauptfeldspule, wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) aus mindestens zwei Teilspulen (C1i, C1a bis C4i, C4a) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichte ten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemeinsamen Achse (z) ko axiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weni ger als dem Innendurchmesser (da2) der äußeren Feld spulen sind, wobei in jeder Korrekturspule (C₁ bis C₄) jeweils eine Teilspule (C1i bis C4i) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im we sentlichen gleich dem Abstand des radial inneren Feld spulenpaares von der Mittelebene ist, so daß sich die se Teilspulen in einem axialen Bereich g₂/2|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) jeweils mindestens eine zweite Teilspule (C1a bis C4a) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen grö ßeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar hat.- At least four superconducting, separately be send with current correction coils (C₁ to C₄) coaxial to the main field coil, each correction coil (C₁ to C₄) consists of at least two sub-coils (C 1i , C 1a to C 4i , C 4a ), which are in operation are flowed through by oppositely directed currents, all sub-coils of all correction coils to the common axis (z) are co-axial cylindrical coils with a diameter of less than the inner diameter (d a2 ) of the outer field coils, with each correction coil (C₁ to C₄) each sub-coil (C 1i to C 4i ) has the smallest possible distance from the central plane (E), which is essentially the same as the distance of the radially inner field pair of coils from the central plane, so that these sub-coils are in an axial area g₂ / 2 | z | g₂ / 2 + b extend, and wherein each correction coil (C₁ to C₄) each has at least one second sub-coil (C 1a to C 4a ) with reverse current direction, which has a gr has a greater axial distance from the central plane (E) than the radially inner field coil pair.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch An bringen von Eisen auf dem Innenzylinder außerhalb des mitt leren Bereichs, wo sich die seitliche Zugriffsöffnung befin det, eine gleichzeitige Kompensation aller tesseralen und zonalen Störterme nicht möglich ist. Wohl aber ist eine vollständige Kompensation aller tesseralen Terme allein zu mindest bis zur 6. Ordnung (n = 1 bis 6; m = 1 bis n) mög lich. Dafür entstehen aber zusätzliche zonale Störterme, insbesondere A₂₀, A₄₀, A₆₀, die aber relativ klein gehalten werden können. Das Lösungsprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sämtliche tesserale Terme bis zur 6. Ord nung durch ferromagnetische Homogenisierungselemente auf dem Innenzylinder der Raumtemperaturbohrung außerhalb des mitt leren Bereichs (Zugriffsöffnungen) kompensiert werden, wäh rend alle verbleibenden zonalen Störterme durch spezielle supraleitende Korrekturspulen, die gemeinsam mit den supra leitenden Hauptfeldspulen in einem Helium-Kryostaten unter gebracht sind, korrigiert werden.The invention is based on the knowledge that An bring iron on the inner cylinder outside the mitt area where the side access opening is located det, a simultaneous compensation of all tesseral and zonal interference is not possible. But one is complete compensation of all tesseral terms alone at least up to the 6th order (n = 1 to 6; m = 1 to n) possible Lich. But there are additional zonal disturbance terms, especially A₂₀, A₄₀, A₆₀, but kept relatively small can be. The principle of solution of the present invention consists in the fact that all tesserale terms up to the 6th order by ferromagnetic homogenization elements on the Inner cylinder of the room temperature bore outside the middle area (access openings) can be compensated for rend all remaining zonal interference by special superconducting correction coils, which together with the supra conductive main field coils in a helium cryostat under brought are corrected.
Bei einer Ausführungsform sind die Windungszahlen aller Teilspulen einer Korrekturspule so gewählt, daß die Gegenin duktivität zwischen der Hauptfeldspule und der Korrekturspu le verschwindet. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen Hauptfeldspule und Korrekturspulen völlig vermieden. Daher entsteht kein Umladen der Korrekturspulen bei einer eventu ellen Drift der Hauptfeldspule, und eine Gefahr der Zerstö rung von supraleitenden Korrekturspulen im Falle eines Quen ches des supraleitenden Spulensystems wird abgewendet.In one embodiment, the number of turns is all Sub-coils of a correction coil selected so that the opposite ductivity between the main field coil and the correction coil le disappears. In this way, a coupling between Main field coil and correction coils completely avoided. Therefore there is no reloading of the correction coils at an eventu ellen drift of the main field coil, and a risk of destruction tion of superconducting correction coils in the case of a quench The superconducting coil system is averted.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen alle Teilspulen der Korrekturspulen, die der Mittelebene (E) am nächsten benachbart sind, einen größeren Innendurchmesser auf, als der Außendurchmesser di1 des inneren Feldspulenpaa res. Dies führt zu besonders hohen Amplituden des erzeugten Korrekturfeldes.In a further preferred embodiment, all the partial coils of the correction coils which are closest to the center plane (E) have a larger inner diameter than the outer diameter d i1 of the inner field coil pair res. This leads to particularly high amplitudes of the correction field generated.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgese hen, daß bei mindestens einer Korrekturspule die beiden Teilspulen näherungsweise denselben Innendurchmesser besit zen, und daß bei mindestens einer weiteren Korrekturspule die der Mittelebene nähere Teilspule einen größeren Innen durchmesser, die der Mittelebene entferntere Teilspule einen kleineren Innendurchmesser hat.In another preferred embodiment, it is preseeded hen that at least one correction coil, the two Partial coils have approximately the same inner diameter zen, and that with at least one other correction coil the coil closer to the central plane has a larger interior diameter, the sub-coil more distant from the central plane has a smaller inner diameter.
Auch mit dieser Maßnahme können besonders hohe Korrekturfeld amplituden erreicht werden.With this measure too, a particularly high correction field can be achieved amplitudes can be achieved.
Noch höhere Amplituden des erzeugten Korrekturfeldes werden bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erhalten, bei der der Innendurchmesser der der Mittelebene entfernteren Teilspule der weiteren Korrekturspule ungefähr gleich dem Innendurchmesser di2 der inneren Feldspulen ist.Even higher amplitudes of the correction field generated are obtained in a further development of this embodiment, in which the inner diameter of the sub-coil of the further correction coil which is more distant from the central plane is approximately equal to the inner diameter d i2 of the inner field coils.
Bei einer fertigungstechnisch besonders einfachen, kompakten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographen ist vorgesehen, daß die der Mittelebene näheren Teilspulen der Korrekturspulen in einer gemeinsamen Wickelkammer eines Spu lenträgers zusammen mit der jeweiligen inneren Feldspule und die der Mittelebene ferneren Teilspulen der Korrekturspulen in einer weiteren gemeinsamen Wickelkammer des Spulenträgers untergebracht sind. With a manufacturing technology that is particularly simple, compact Embodiment of the NMR tomograph according to the invention provided that the partial coils of the Correction coils in a common winding chamber of a spu carrier together with the respective inner field coil and the sub-coils of the correction coils further away from the central plane in another common winding chamber of the bobbin are accommodated.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließlich sind die ferromagnetischen Homogenisierungselemente Permanentmagnete. Hierdurch läßt sich die Richtung der Magnetisierung relativ zur Feldrichtung frei wählen, so daß zusätzliche, bessere Möglichkeiten zur Kompensation von Feldstörungen gegeben sind.Finally, in a further embodiment, the ferromagnetic homogenization elements permanent magnets. This allows the direction of magnetization to be relative choose freely to the field direction, so that additional, better Opportunities to compensate for field disturbances are given are.
Bei dem erfindungsgemäßen NMR-Tomographen können auch zu sätzliche Raumtemperatur-Shim-Systeme zum Eliminieren von Feldstörungen des Typs A₁₀, A₁₁ und B₁₁ sowie A₂₀ vorgesehen sein. Damit wird überdies ein weiterer Freiheitsgrad gegen über einem System von ausschließlich supraleitenden, im Kurzschlußverfahren betriebenen Shimspulen erreicht.In the NMR tomograph according to the invention, too additional room temperature shim systems to eliminate Field disturbances of the type A₁₀, A₁₁ and B₁₁ and A₂₀ provided his. This is also a further degree of freedom over a system of exclusively superconducting, in Short circuit method operated shim coils reached.
Insbesondere Feldstörungen des Typs A₁₁ und B₁₁ können durch einen schwachen Gleichstromanteil in einem x-, y-Gradienten spulensystem nach den Fig. 8, 9a und 9b sowie der zugehöri gen Beschreibung der DE 42 30 145 A1, auf die hier vollin haltlich Bezug genommen wird, behoben werden. Statt dessen können allerdings auch weitere Shim-Spulen vorgesehen sein, die einen entsprechenden räumlichen Aufbau aufweisen wie die in der DE 42 30 145 A1 beschriebenen Gradientenspulen.In particular, field disturbances of the A₁₁ and B₁₁ type can be caused by a weak DC component in an x, y gradient coil system according to FIGS . 8, 9a and 9b and the associated description of DE 42 30 145 A1, to which reference is made here in its entirety , be resolved. Instead of this, however, further shim coils can also be provided, which have a corresponding spatial structure like the gradient coils described in DE 42 30 145 A1.
Eine Korrektur von Feldstörungen des Typs A₁₀ kann durch ein abgeschirmtes z-Gradientenspulensystem gemäß der DE 42 30 145 A1 eliminiert werden, das die Merkmale der Ansprüche 14 und 15 der genannten Offenlegungsschrift verwirklicht. A correction of field disturbances of the type A₁₀ can be done by a shielded z-gradient coil system according to DE 42 30 145 A1 be eliminated, the features of claims 14 and 15 of said published application.
Feldstörungen von Störtermen des Typs A₂₀ schließlich können durch vier koaxial zur z-Achse gewickelte Luftspulen kompen siert werden, die entweder an der Innenwand der Raumtempera turbohrung oder an der Innenseite einer transversalen Zu gangsöffnung positioniert sind.Finally, field disturbances of interference terms of the type A₂ können can compensate by four air coils coaxial to the z-axis be placed either on the inner wall of the room temperature turbo bore or on the inside of a transverse port passage opening are positioned.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die ge zeigten beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als ab schließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.Further advantages of the invention result from the Be writing and the attached drawing. Likewise, the the aforementioned and the further elaborated Merk paint according to the invention individually for themselves or for more can be used in any combination. The ge Embodiments shown are not as of to understand closing enumeration, but rather have exemplary character.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an hand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated in the drawing and is hand described in more specific embodiments and explained. Show it:
Fig. 1 ein Hauptfeldmagnetsystem mit transversaler Zu griffsmöglichkeit nach dem Stand der Technik in vereinfachter, schematischer Schnittdarstellung in einer die zentrale Längsachse z des Magnetsystems enthaltenden Radialebene; Fig. 1, a main field magnet system with transverse to handle possibility according to the prior art in a simplified, schematic sectional view of a central longitudinal axis z of the magnet system containing radial plane;
Fig. 2 eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungs gemäßen NMR-Tomographen mit zugehörigem Kryostaten für eine supraleitende Hauptfeldmagnetspule; Figure 2 is an overall perspective view of fiction, modern NMR tomograph with associated cryostat for a superconducting main field magnet coil.
Fig. 3 einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke des in Fig. 2 dargestellten Systems mit Blick auf die Patientenbohrung einer der beiden Hauptspulen hälften und darin angebrachten Shim-Plättchen; und Fig. 3 of the halves of a section through the side access gap in Figure 2 illustrated system in view of the patient bore of one of two main coils and mounted therein shim plate. and
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des erfin dungsgemäßen NMR-Tomographen in einer die zentrale Längsachse z des Magnetsystems enthaltenden Radi alebene. Fig. 4 is a schematic sectional view of the inventive NMR tomograph in a radial plane containing the central longitudinal axis z of the magnet system.
Das in der Fig. 1 dargestellte Hauptfeldspulensystem 10 um faßt ein äußeres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 1a und 1b sowie ein inneres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 2a und 2b, welche entlang einer gemeinsamen zentralen Achse z koaxial und bezüglich einer zentralen Quermittelebene E, welche rechtwinklig zu der zentralen Achse verläuft, insge samt symmetrisch angeordnet sind. Die äußeren Wicklungen 1a und 1b sowie die inneren Wicklungen 2a und 2b sind auf einen insgesamt mit 3 bezeichneten Spulenkörper aufgewickelt, wel cher zwei Tragringe 3a und 3b umfaßt, welche die jeweils einseitig von der Quermittelebene E angeordnete äußere und innere Wicklung 1a und 2a bzw. 1b und 2b tragen. Diese Trag ringe 3a und 3b des Spulenkörpers 3 haben je ein äußeres, gemäß der Darstellung der Fig. 1 nach außen offenes, durch rechtwinklig aneinander anschließende Profilschenkel be grenztes U-Profil 4a bzw. 4b, durch deren in axialer Rich tung gemessene lichte Breite B und durch deren in radialer Richtung gemessene Tiefe (da1-da2)/2 die rechteckige Quer schnittsfläche von Wickelkammern 5a bzw. 5b bestimmt ist, die von den Windungen der äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b in dichtestmöglicher Packung eingenommen werden, wobei mit da1 der Außendurchmesser und da2 der Innendurchmesser der äuße ren Wicklungen 1a bzw. 1b bezeichnet sind. The main field coil system 10 shown in FIG. 1 comprises an outer pair of windings or field coils 1 a and 1 b and an inner pair of windings or field coils 2 a and 2 b, which coaxially and with respect to one along a common central axis z central transverse center plane E, which is perpendicular to the central axis, are arranged overall symmetrically. The outer windings 1 a and 1 b as well as the inner windings 2 a and 2 b are wound on a bobbin designated as a whole by 3 , which comprises two support rings 3 a and 3 b, each of which is arranged on one side from the transverse center plane E outer and inner Wear winding 1 a and 2 a or 1 b and 2 b. This support rings 3 a and 3 b of the bobbin 3 each have an outer, as shown in FIG. 1 to the outside, by right-angled profile legs be limited U-profile 4 a and 4 b, through which in the axial direction Rich measured clear width B and by their depth measured in the radial direction (d a1 -d a2 ) / 2 the rectangular cross-sectional area of winding chambers 5 a and 5 b is determined by the turns of the outer field coils 1 a and 1 b in densest possible pack are taken, with d a1 the outer diameter and d a2 the inner diameter of the outer windings 1 a and 1 b are designated.
Des weiteren haben die Tragringe 3a und 3b je ein inneres, gemäß der Darstellung der Fig. 1 ebenfalls nach außen offe nes, durch rechtwinklig aneinander anschließende Profil schenkel begrenztes U-Profil 6a bzw. 6b, durch deren in axialer Richtung gemessene lichte Breite b und deren in ra dialer Richtung gemessene Tiefe (di1-di2)/2 die - ebenfalls rechteckige - Querschnittsfläche von Wickelkammern 7a bzw. 7b bestimmt ist, die von den Wicklungen der inneren Feldspu len 2a bzw. 2b - in dichtestmöglicher Packung - eingenommen wird, wobei mit di1 der Außendurchmesser und di2 der Innen durchmesser der inneren Wicklungen 2a bzw. 2b bezeichnet sind. Die Tragringe 3a und 3b der beiden Teilspulenpaare werden zweckmäßig aus separaten Teilringen 3a₁ und 3a₂ bzw. 3b₁ und 3b₂ zur Aufnahme je einer Wicklung 1a und 2a bzw. 1b und 2b gebildet. Nach dem Wickeln der Wicklungen werden die Teilringe zu je einem Tragring 3a bzw. 3b zusammengebaut und fest miteinander verbunden. Die solchermaßen gebildeten Tragringe 3a und 3b werden ihrerseits durch Längsbalken 8 fest miteinander verbunden, wobei, wie nicht eigens darge stellt, der axiale Abstand der Tragringe 3a und 3b justier bar ist.Furthermore, the support rings 3 a and 3 b each have an inner, according to the illustration in FIG. 1, also open to the outside, leg-limited U-profile 6 a and 6 b, which are measured in the axial direction, by right-angled profile sections Clear width b and its depth measured in ra dialer direction (d i1 -d i2 ) / 2 is the - also rectangular - cross-sectional area of winding chambers 7 a and 7 b, which is determined by the windings of the inner field coils 2 a and 2 b - in the densest possible packing - is taken where 2 are denoted with b d i1 of the outer diameter and d i2 of the inner diameter of the inner windings 2 a respectively. The support rings 3 a and 3 b of the two coil pairs are advantageously a₁ of separate partial rings 3 and 3 a₂ and 3 b₁ and b₂ 3 each for receiving a coil 1 a and 2 a or 1 b and 2 b are formed. After the windings have been wound, the partial rings are assembled to form a supporting ring 3 a or 3 b and firmly connected to one another. The support rings thus formed 3 a and 3 are in turn connected by means of longitudinal beams 8 secured together b, where as not specifically Darge is, the axial distance of the support rings 3 a and 3 b readjustment bar is.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei spiel umfaßt der Spulenkörper 3 drei solcher Längsbalken, die symmetrisch zu der durch die Zeichenebene markierten, die zentrale Achse z des Magnetsystems 10 enthaltenden Längsmittelebene angeordnet sind und dabei, entlang der senkrechten Achse gesehen, in gleichen Winkelabständen - axialsymmetrisch - um die Achse gruppiert sein können. Durch die Balken 8 werden die axialen Kräfte aufgefangen, welche die Wicklungen 1a und 1b sowie 2a und 2b im stromdurchflos senen Zustand des Magnetsystems aufeinander ausüben. Der axiale Abstand g₁, in dem die äußeren Wicklungen 1a und 1b voreinander angeordnet sind, kann bei dem Magnetsystem 10 zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Spulendurchmessers da2 der äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b variieren, wobei ein bevorzug ter Wert dieses Abstandes g₁ bei etwa der Hälfte dieses in neren Spulendurchmessers da2 liegt.In the preferred embodiment shown in FIG. 2, the coil body 3 comprises three such longitudinal beams, which are arranged symmetrically to the longitudinal central plane marked by the plane of the drawing, which contains the central axis z of the magnet system 10 , and, seen along the vertical axis, in the same Angular distances - axially symmetrical - can be grouped around the axis. The bars 8 absorb the axial forces which the windings 1 a and 1 b and 2 a and 2 b exert on one another in the current-flowed state of the magnet system. The axial distance g 1, in which the outer windings 1 a and 1 b are arranged in front of one another, can vary in the magnet system 10 between 1/4 and 3/4 of the inner coil diameter d a2 of the outer field coils 1 a and 1 b, respectively preferred ter value of this distance g ₁ is about half of this in neren coil diameter d a2 .
Der axiale Abstand g₁, in welchem die beiden Wicklungen 1a und 1b des äußeren Spulenpaares voneinander angeordnet sind, kann zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Durchmessers da2 des äußeren Spulenpaares 1a, 1b betragen und ist in spezieller Gestaltung dieses Spulenpaares etwa, d. h. mit einer Abwei chung von ± 10% halb so groß wie der innere Spulendurchmes ser da2. Damit liegen die Schwerpunkte der Querschnitte der Wicklungen 1a und 1b (axial (g₁ + B)/2, radial (da1 + da2)/2) axial weiter auseinander als bei einer Helmholtz-An ordnung dieses Wicklungspaars.The axial distance g₁, in which the two windings 1 a and 1 b of the outer pair of coils are arranged from each other, can be between 1/4 and 3/4 of the inner diameter d a2 of the outer pair of coils 1 a, 1 b and is of a special design this pair of coils, ie with a deviation of ± 10% half as large as the inner coil diameter ser d a2 . The focal points of the cross sections of the windings 1 a and 1 b (axial (g₁ + B) / 2, radial (d a1 + d a2 ) / 2) are axially further apart than in a Helmholtz arrangement of this winding pair.
Das innere Spulenpaar 2a, 2b ist hinsichtlich seiner charak teristischen Abmessungen - Außendurchmesser di1 und Innen durchmesser di2 - kleiner als das äußere Spulenpaar 1a, 1b, wobei seine Wicklungsdichte dem Betrag nach derjenigen des äußeren Spulenpaares gleich ist. Bei Bedarf kann die Wick lungsdichte abweichend gewählt werden.The inner pair of coils 2 a, 2 b is smaller than the outer pair of coils 1 a, 1 b with respect to its characteristic dimensions - outer diameter d i1 and inner diameter d i2 , its winding density being the same as that of the outer pair of coils. If necessary, the winding density can be chosen differently.
Der axiale Abstand g₂ der inneren Wicklungen 2a und 2b ist mit einer Abweichung von maximal 15% gleich dem axialen Ab stand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b und beim darge stellten, speziellen Ausführungsbeispiel geringfügig kleiner als der axiale Abstand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b, so daß die axiale lichte Weite zwischen den beiden Wicklun gen 2a und 2b ähnlich derjenigen zwischen den beiden äußeren Wicklungen 1a und 1b ist. The axial distance g₂ of the inner windings 2 a and 2 b is equal to a maximum deviation of 15% from the axial Ab stood g₁ of the outer windings 1 a and 1 b and in the special embodiment shown Darge slightly smaller than the axial distance g₁ of the outer Windings 1 a and 1 b, so that the axial clear width between the two conditions 2 a and 2 b is similar to that between the two outer windings 1 a and 1 b.
Der im Betrieb des Magnetsystems 10 durch das innere Paar von Wicklungen 2a, 2b fließende Strom ist, der Richtung nach, demjenigen entgegengesetzt, der durch das äußere Paar 1a, 1b fließt, so daß die von den beiden Wicklungspaaren 1a, 1b und 2a, 2b erzeugten Magnetfelder einander entgegenge setzt sind, wobei die Windungszahlen der äußeren Wicklungen 1a und 1b zu den Windungszahlen der inneren Wicklungen 2a und 2b - die gleiche Stromstärke in den Wicklungen 1a und 1b sowie 2a, 2b vorausgesetzt - im Verhältnis von etwa 4/1 zu einander stehen, wobei dieses Verhältnis innerhalb einer Marge von ± 20% variieren kann.The current flowing through the inner pair of windings 2 a, 2 b during operation of the magnet system 10 is, in the direction opposite to that flowing through the outer pair 1 a, 1 b, so that the two pairs of windings 1 a, 1 b and 2 a, 2 b generated magnetic fields are mutually opposed, the number of turns of the outer windings 1 a and 1 b to the number of turns of the inner windings 2 a and 2 b - the same amperage in the windings 1 a and 1 b as well 2 a, 2 b provided - in the ratio of about 4/1 to each other, whereby this ratio can vary within a margin of ± 20%.
Durch geeignete Wahl der Stärke der Ströme, welche durch die beiden Wicklungspaare 1a, 1b sowie 2a, 2b fließen, läßt sich ein statisches Magnetfeld erzeugen, das innerhalb des in der Fig. 1 gestrichelt angedeuteten, kreisförmigen umrandeten Untersuchungsvolumens V, dessen Durchmesser zirka 40 cm be trägt (Feldabweichung 20 ppm), hinreichend homogen ist.By a suitable choice of the strength of the currents flowing through the two winding pairs 1 a, 1 b and 2 a, 2 b, a static magnetic field can be generated, which within the circular-framed examination volume V indicated in dashed lines in FIG Diameter is about 40 cm (field deviation 20 ppm), is sufficiently homogeneous.
In einer bevorzugten Gestaltung des Magnetsystems 10 mit su praleitenden Magnetspulen beträgt der axiale Abstand g₁ des äußeren Wicklungspaares 1a, 1b 887 mm und die axiale Breite B der Wickelkammern 220 mm. Die zwischen den Außenwänden der Wickelkammern 5a und 5b gemessene axiale Ausdehnung L′ des Magnetsystems 10 beträgt 1327 mm. Der Innendurchmesser da2 der äußeren Wickelkammern 5a und 5b beträgt 1818 mm und der Außendurchmesser da1 der äußeren Wicklungen 1a und 1b 1997 mm. Die Windungsdichte in den äußeren Wickelkammern 5a und 5b beträgt 18,40 Windungen/cm². In a preferred embodiment of the magnet system 10 with su praleitenden magnetic coils, the axial distance g₁ of the outer pair of windings 1 a, 1 b 887 mm and the axial width B of the winding chambers is 220 mm. The measured between the outer walls of the winding chambers 5 a and 5 b axial extent L 'of the magnet system 10 is 1327 mm. The inner diameter d a2 of the outer winding chambers 5 a and 5 b is 1818 mm and the outer diameter d a1 of the outer windings 1 a and 1 b 1997 mm. The winding density in the outer winding chambers 5 a and 5 b is 18.40 turns / cm².
Bei dem inneren Wicklungspaar 2a, 2b beträgt der axiale Ab stand seiner Wickelkammern 7a und 7b 881,5 mm, wobei die axiale Breite b dieser Wickelkammern 7a und 7b jeweils 39,2 mm beträgt. Der Innendurchmesser di2 der Wicklungen 2a und 2b hat einen Wert von 1400 mm, während der Außendurchmesser di1 der inneren Wicklungen 2a und 2b einen Wert von 1507 mm hat. Die Windungsdichte der inneren Wicklungen 2a und 2b ist der jenigen der äußeren Wicklungen 1a und 1b entgegengesetzt und hat den Wert -46,73 Windungen/cm². Bei dem genannten Abstand g₂ der Wickelkammern 7a und 7b des inneren Spulenpaares 2a und 2b läßt sich ein supraleitendes Kryomagnetsystem aufbau en mit einem nutzbaren Zwischenraum z von 660 mm und einer Raumtemperaturbohrung mit einem Durchmesser von 1250 mm zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Gradientenspulen.In the inner winding pair 2 a, 2 b, the axial distance from its winding chambers 7 a and 7 b is 881.5 mm, the axial width b of these winding chambers 7 a and 7 b each being 39.2 mm. The inner diameter d i2 of the windings 2 a and 2 b has a value of 1400 mm, while the outer diameter d i1 of the inner windings 2 a and 2 b has a value of 1507 mm. The winding density of the inner windings 2 a and 2 b is opposite to that of the outer windings 1 a and 1 b and has the value -46.73 windings / cm². At the distance g₂ mentioned the winding chambers 7 a and 7 b of the inner coil pair 2 a and 2 b, a superconducting cryomagnet system can be constructed with a usable space z of 660 mm and a room temperature bore with a diameter of 1250 mm for receiving the gradient coils according to the invention.
Bei einer Stromstärke von 157 A ergibt sich ein homogenes Magnetfeld im Zentrum des Magnetsystems 10 von 0,5 Tesla.At a current of 157 A there is a homogeneous magnetic field in the center of the magnet system 10 of 0.5 Tesla.
Die perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen NMR-Meßeinrichtung in Fig. 2 zeigt unter anderem die Gesamthöhe H der Apparatur, die vom Außendurch messer des Kryostaten bestimmt wird, die Höhe h der horizon talen Patientenbohrung, die Breite g der seitlichen Zu griffslücke zum zentralen Untersuchungsvolumen und die Länge L der Gesamtapparatur.The overall perspective view of an embodiment of the NMR measuring device according to the invention in Fig. 2 shows, among other things, the total height H of the apparatus, which is determined by the outer diameter of the cryostat, the height h of the horizontal patient bore, the width g of the lateral access gap to the central examination volume and the length L of the total equipment.
Auf Details des ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Kryosy stems für die supraleitende Hauptfeldmagnetspule wird nicht näher eingegangen. Sämtliche supraleitenden Spulen sind im Heliumtank des Kryostaten untergebracht. Details of the Kryosy system for the superconducting main field magnet coil, also shown in FIG. 2, are not discussed in detail. All superconducting coils are housed in the helium tank of the cryostat.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke des NMR-Tomographen senkrecht zur zentralen z-Achse. Durch die aufgeschnittenen Längsbalken 8 sind Verbindungsrohre 11 zwischen den beidseitigen Heliumtanks des die supraleitende Magnetspulenteile enthaltenden Kryosystems sowie Verbin dungsrohre 12 zwischen den die Heliumtanks umgebenden Tanks mit flüssigem Stickstoff zu sehen. Die üblicherweise vorhan denen Strahlungsschilde sind nicht eingezeichnet. Auf dem Umfang der Raumtemperaturbohrung verteilt sind ferromagneti sche Homogenisierungselemente 20 in Form von Shim-Plättchen angedeutet. Fig. 3 shows a section through the lateral access gap of the NMR tomograph perpendicular to the central z-axis. Through the cut longitudinal beams 8 connecting pipes 11 between the helium tanks on both sides of the cryosystem containing the superconducting magnet coil parts and connec tion pipes 12 between the tanks surrounding the helium tanks with liquid nitrogen can be seen. The usually existing radiation shields are not shown. Distributed on the circumference of the room temperature bore are ferromagnetic homogenization elements 20 in the form of shim plates.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch den erfin dungsgemäßen NMR-Tomographen in einer Ebene, die die z-Achse enthält. Zu erkennen sind die äußeren Feldspulen 1a und 1b sowie die inneren Feldspulen 2a und 2b beiderseits der Mit telebene E. Radial innerhalb der äußeren Feldspulen 1a und 1b sind vier supraleitende, separat mit Strom beschickbare Korrekturspulen C₁ bis C₄ symmetrisch um die z-Achse ange ordnet. Jede Korrekturspule C₁ bis C₄ besteht aus mindestens zwei Teilspulen Ci1, C1a bis C4i, C4a, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden. Je de Korrekturspule C₁ bis C₄ enthält eine Teilspule C1i bis C4i, die einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene E hat und sich im wesentlichen in einem axialen Bereich g₂/2|z|g₂/2+b erstreckt. Mindestens eine zweite Teilspule C1a bis C4a einer jeden Korrekturspule C₁ bis C₄ besitzt demgegenüber einen größeren axialen Abstand von der Mittel ebene E als das radial innere Feldspulenpaar 2a bzw. 2b. Fig. 4 shows a schematic section through the inventive NMR tomograph in a plane containing the z-axis. The outer field coils 1 a and 1 b and the inner field coils 2 a and 2 b on both sides of the center plane E. Radially within the outer field coils 1 a and 1 b are four superconducting correction coils C 1 to C 4 which can be fed separately with current symmetrically the z-axis is arranged. Each correction coil C₁ to C₄ consists of at least two sub-coils C i1 , C 1a to C 4i , C 4a , which are flowed through during operation by oppositely directed currents. Each de correction coil C₁ to C₄ contains a partial coil C 1i to C 4i , which has the smallest possible distance from the central plane E and extends essentially in an axial range g₂ / 2 | z | g₂ / 2 + b. At least a second coil section C 1a to C 4a of each correction coil C₁ to C₄, in contrast, has a larger axial distance from the center plane E than the radially inner field coil pair 2 a or 2 b.
Im rechten oberen Quadranten der in Fig. 4 im Schnittbild schematisch dargestellten Anordnung ist ein Spulenträger ge zeigt, der eine Wickelkammer 21 aufweist, in welcher die der Mittelebene E näheren Teilspulen C1i und C2i gemeinsam mit der inneren Feldspule 2b untergebracht sind. In einer weite ren Wickelkammer 22 des Spulenträgers sind die von der Mit telebene E weiter entfernten Teilspulen C1a und C2a zusammen untergebracht. Ähnliche gemeinsame Wickelkammern sind auch für die anderen vier Quadranten des dargestellten Schnittes vorgesehen, aber der Übersichtlichkeit halber in der Zeich nung Fig. 4 nicht dargestellt.In the upper right quadrant of the arrangement shown schematically in FIG. 4, a coil carrier is shown which has a winding chamber 21 in which the sub-coils C 1i and C 2i closer to the central plane E are accommodated together with the inner field coil 2 b. In a wide ren winding chamber 22 of the bobbin, the sub-coils C 1a and C 2a , which are further away from the center plane E, are accommodated together. Similar common winding chambers are also provided for the other four quadrants of the section shown, but for the sake of clarity in the undersigned Fig. 4 is not shown.
Im linken unteren Quadranten der schematischen Schnittzeich nung ist eine Kammer 23 mit flüssigem Helium dargestellt, in der die jeweiligen supraleitenden Spulenteile des linken un teren Quadranten untergebracht sind. Ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in den restlichen Quadranten von Fig. 4 die Heliumkammer nicht dargestellt.In the lower left quadrant of the schematic sectional drawing, a chamber 23 with liquid helium is shown, in which the respective superconducting coil parts of the left un lower quadrant are accommodated. Also for reasons of clarity, the helium chamber was not shown in the remaining quadrants of FIG. 4.
Die elektrische Verschaltung der Teilspulen kann bei einer nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform auch derart sein, daß zwei Teilspulen einer bestimmten Korrektur spule beidseits der Mittelebene E angeordnet sind.The electrical connection of the sub-coils can be at embodiment not shown in the drawing also be such that two sub-coils of a certain correction coil are arranged on both sides of the central plane E.
Schließlich sind in Fig. 4 auf der Innenseite der angedeute ten Raumtemperaturbohrung längs der z-Achse an verschiedenen Stellen ferromagnetische Homogenisierungselemente 20 ange deutet, die nicht unbedingt in symmetrischer Weise bezüglich der Ebene E oder bezüglich der z-Achse verteilt sein müssen. Die konkreten Orte der Plazierung des jeweiligen Homogeni sierungselementes 20 ergeben sich experimentell für jedes individuelle NMR-System unterschiedlich in der Weise, daß die tesseralen Feldstörungen weitgehend beseitigt werden. Finally, in Fig. 4 on the inside of the indicated room temperature bore along the z-axis at various points indicates ferromagnetic homogenization elements 20 , which need not necessarily be distributed symmetrically with respect to the plane E or with respect to the z-axis. The specific locations of the placement of the respective homogenization element 20 result experimentally for each individual NMR system differently in such a way that the tesseral field disturbances are largely eliminated.
Vorzugsweise werden Plättchen der Größe 50×40×0,3 mm³ an der Oberfläche der Raumtemperaturbohrungen in beiden Kryo statenhälften angebracht. Wie bereits oben erwähnt, liegt die axiale Ausdehnung für die Verteilung der ferromagneti schen Korrekturelemente 20 typischerweise zwischen |z|=g/2 und 1,4 g, wobei g die Breite der transversalen Zugangsöff nung zum Untersuchungsvolumen V bedeutet.Preferably, 50 × 40 × 0.3 mm³ plates are attached to the surface of the room temperature holes in both halves of the cryo. As already mentioned above, the axial extent for the distribution of the ferromagnetic correction elements 20 is typically between | z | = g / 2 and 1.4 g, where g means the width of the transverse access opening to the examination volume V.
Der Montageradius r für die Korrekturelemente 20 (= Radius der Raumtemperaturbohrung) beträgt typischerweise ungefähr 1,8 g r 2 g.The mounting radius r for the correction elements 20 (= radius of the room temperature bore) is typically approximately 1.8 gr 2 g.
Die ferromagnetischen Korrekturelemente 20 werden so ange ordnet, daß im wesentlichen nur die tesseralen Störterme (m = 0) sowie die ungeraden zonalen Störterme (n ungerade, m = 0) verschwinden. Wegen des großen Abstands der Eisenstück chen der Mittelebene E erzeugt eine solche Eisenverteilung grundsätzlich zusätzliche zonale Störterme A₂₀, A₄₀, A₆₀, die sich zu den von der Hauptfeldspule erzeugten gleichnami gen Störtermen addieren. Es gibt mathematische Verfahren, mit denen sich die verwendeten Eisenmengen minimieren las sen. Dadurch bleiben auch die Zusatzstörterme relativ klein. Grundsätzlich gilt für die Vorzeichen dieser Störterme:The ferromagnetic correction elements 20 are arranged so that essentially only the tesseral interference terms (m = 0) and the odd zonal interference terms (n odd, m = 0) disappear. Because of the large spacing of the iron pieces of the middle plane E, such an iron distribution basically generates additional zonal interference terms A₂₀, A₄₀, A₆₀, which add up to the interference terms generated by the main field coil. There are mathematical methods that can be used to minimize the amount of iron used. As a result, the additional interference terms remain relatively small. The following generally applies to the signs of these fault terms:
A₂₀ < 0, A₄₀ < 0 und A₆₀ < 0.A₂₀ <0, A₄₀ <0 and A₆₀ <0.
Normalerweise bleibt A₆₀ dabei so klein, daß die NMR-Experi mente dadurch nicht gestört werden. Eine Kompensation der verbleibenden zonalen Störterme A₂₀ und A₄₀ (gegebenenfalls auch A₁₀ und A₃₀) wird erfindungsgemäß mit Hilfe der oben beschriebenen vier speziell angeordneten supraleitenden zy lindersymmetrischen Korrekturspulen C₁ bis C₄ bewirkt, die gemeinsam mit den Teilspulen 1a, 1b, 2a und 2b der Haupt feldspule in der Heliumkammer 23 angeordnet sind. Prinzipi ell können die Korrekturspulen C₁ bis C₄ auch von einem Netzgerät gespeist werden. Vorzugsweise besitzen die Korrek turspulen jedoch einen supraleitenden Schalter und werden im "persistant mode", d. h. kurzgeschlossen, betrieben.Usually A₆₀ remains so small that the NMR experiments are not disturbed. A compensation of the remaining zonal disturbance terms A₂₀ and A₄₀ (possibly also A₁₀ and A₃₀) is effected according to the invention with the aid of the four specially arranged superconducting zy-symmetrical correction coils C₁ to C₄, which together with the partial coils 1 a, 1 b, 2 a and 2 b the main field coil are arranged in the helium chamber 23 . In principle, the correction coils C₁ to C₄ can also be fed by a power supply. However, the correction coils preferably have a superconducting switch and are operated in "persistent mode", ie short-circuited.
Von den vier Korrekturspulen C₁ bis C₄ befinden sich jeweils zwei in einer Hälfte des Kryostaten. Jede Korrekturspule be sitzt einen spiegelbildlich aufgebauten Partner in der je weils bezüglich der Mittelebene E gesehen anderen Hälfte des Kryostaten. In diesem Sinne sind die Korrekturspulen C₁ und C₄ sowie die Korrekturspulen C₂ und C₃ spiegelbildliche Partner.Of the four correction coils C₁ to C₄ are each two in one half of the cryostat. Each correction coil be sits a mirrored partner in each because of the other half of the middle plane E seen Cryostat. In this sense, the correction coils C₁ and C₄ and the correction coils C₂ and C₃ mirror images Partner.
Claims (7)
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:
- - ferromagnetische Homogenisierungselemente (20), vor zugsweise Plättchen, die an solchen vorgegebenen Posi tionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beiderseits der transversalen Zugangsöffnung ange bracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesse ralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugsweise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,
- - mindestens vier supraleitende, separat mit Strom be schickbare Korrekturspulen (C₁ bis C₄) koaxial zur Hauptfeldspule (10), wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) aus mindestens zwei Teilspulen (C1i, C1a bis C4i, C4a) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt ge richteten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemeinsamen Achse (z) koaxiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weniger als dem Innendurchmesser (da2) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) sind, wobei in jeder Korrekturspu le (C₁ bis C₄) jeweils eine Teilspule (C1i bis C4i) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im wesentlichen gleich dem Abstand des radial inneren Feldspulenpaares (2a, 2b) von der Mittelebene ist, so daß sich diese Teilspulen in einem axialen Be reich g₂/2|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Kor rekturspule (C₁ bis C₄) jeweils mindestens eine zweite Teilspule (C1a bis C4a) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen größeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar (2a, 2b) hat.
characterized,
that the device for compensating for inhomogeneities of the static magnetic field comprises the following elements:
- - Ferromagnetic homogenization elements ( 20 ), preferably platelets, which are introduced at such predetermined positions on the surface of the room temperature bore on both sides of the transverse access opening, that at least one component of the tessential field disturbances of the types A nm with n = 1 to 3, preferably n = 1 to 6, and m = 1 to n is compensated,
- - At least four superconducting correction coils (C₁ to C₄) which can be sent separately with current, coaxial to the main field coil ( 10 ), each correction coil (C₁ to C₄) consisting of at least two sub-coils (C 1i , C 1a to C 4i , C 4a ), which are flowed through during operation of oppositely directed currents, all sub-coils of all correction coils to the common axis (z) coaxial solenoids with a diameter of less than the inner diameter (d a2 ) of the outer field coils ( 1 a, 1 b), wherein in each correction coil (C₁ to C₄) each has a partial coil (C 1i to C 4i ) as close as possible to the central plane (E), which is substantially equal to the distance of the radially inner field coil pair ( 2 a, 2 b) from the central plane , so that these partial coils extend in an axial range g₂ / 2 | z | g₂ / 2 + b, and each correction coil (C₁ to C₄) each have at least one second partial coil (C 1a to C 4a ) with reverse current has a greater axial distance from the center plane (E) than the radially inner field coil pair ( 2 a, 2 b).
Priority Applications (5)
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